СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 1998 года по МПК G01R31/06 H01F27/30 

Настоящее изобретение относится к изобретениям и испытаниям, а более конкретно - к испытаниям мощных силовых трансформаторов на их способность противостоять короткому замыканию.

Известно, что в конструкциях современных силовых трансформаторов в процессе эксплуатации уменьшается усилие прессовки обмоток, что приводит к снижению их электродинамической стойкости.

Известен способ оценки состояния прессовки обмоток трансформаторов, основанный на использовании импульсного механического воздействия. Так, в [1] на модели обмотки определено изменение ее динамической жесткости в зависимости от усилия прессовки. Однако указанный способ не позволяет выполнять безразборную диагностику усилия прессовки обмоток, так как требует установки на внутренние элементы конструкции измерительных преобразователей.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ, при котором трансформатор обесточивается, расшиновывается, разбирается, на его внешние и внутренние элементы устанавливаются измерительные преобразователи, подпрессовываются обмотки и при различных усилиях прессовки определяются амплитудно-частотные характеристики вибрационного отклика конструкции на импульсное механическое возбуждение трансформатора, по измерению которых оценивается усилие прессовки обмоток [2].

Недостатком этого способа является то, что он может быть использован только для одного конкретного трансформатора и может быть использован для других трансформаторов, даже трансформаторов данного типа. То есть, известный способ обладает ограниченностью возможностей, обусловленных предварительной разборкой трансформатора, размещением на внутренних элементах конструкции измерительных преобразователей, обследованием с целью определения амплитудно-частотных характеристик при различных условиях прессовки, демонтажом измерительных преобразователей и сборкой трансформатора. В последующем безразборная диагностика обмоток может быть проведена только для обследованного экземпляра трансформатора. Технический же результат, заключающийся в определении усилия прессовки обмоток трансформатора, недостижим без разборки последнего.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание способа диагностики трансформаторов с расширенными возможностями, не требующими проведения многократных сборочно-разборочных работ каждого трансформатора в течение срока эксплуатации. Технический результат выражается в достижении определения остаточного усилия прессовки обмоток трансформатора без его разборки.

Это достигается за счет того, что в способе диагностики трансформатора, включающем создание вибрационных процессов путем механических воздействий на него, определение частотных характеристик отклика на эти воздействия и установление диагноза, согласно изобретению, в качестве отклика используют ЭДС, наведенную в обмотках трансформатора в результате механического воздействия, измеряют ее, определяют частоту максимума спектральной плотности мощности (СПМ) ЭДС, а диагноз устанавливают, вычисляя усилие прессовки обмоток трансформатора по соотношению:
P_i= a_i•fni

, (1)
где
- постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток данного трансформатора;
f_i - частота максимума СПМ ЭДС, наведенной в обмотках данного трансформатора;
n - постоянная величина, для известных типов трансформаторов n ≈ 4;
P_io и f_io - известные или ранее определенные усилия прессовки и частота максимума СПМ ЭДС, соответственно, данного трансформатора;
В случае, когда неизвестна постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток (a_i) исследуемого (i-го) трансформатора, конструкция которого подобна известному (j-му) трансформатору-эталону, ее определяют из соотношения:

где
a_j - постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток известного трансформатора-эталона;
m_i - масса активной части исследуемого трансформатора;
m_j - масса активной части известного трансформатора-эталона.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного новой совокупностью операций по определению остаточного усилия прессовки обмоток. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "Новизна".

В результате обследования трансформаторов при различных усилиях прессовки обмоток экспериментально установлена зависимость:
P = a • fⁿ, (3)
где
P - усилие прессовки обмоток;
a - постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток конкретного трансформатора;
f - частота максимума СПМ ЭДС, наведенная в обмотках;
n - постоянная величина, для известных типов трансформаторов n ≈ 4.

Найдем зависимость постоянной а от геометрических параметров трансформатора, при этом будем исходить из следующих предположений:
частота максимума СПМ ЭДС, наведенной в обмотках при механическом воздействии, соответствует резонансной частоте механических колебаний активной части трансформатора;
активные части диагностируемых трансформаторов геометрически подобны и изготовлены из материалов с одинаковыми физико-механическими характеристиками.

Представим активную часть как механическую систему с одной степенью свободы. Масса m соответствует массе активной части, жесткость C соответствует жесткости активной части. Жесткость зависит от усилия поджатия P и является фактором, определяющим формулу (3).

Резонансную частоту колебаний системы представим в виде:

Жесткость определяется:

где
x - перемещение массы m.

Усилие P и перемещение x запишем в виде:
P = σ•F, (6)
где
σ - - напряжение;
F - площадь сечения (условная).

x = ε•L, (7)
где
ε - - относительная деформация;
L - длина (условная).

Подставив (4), (5), (6), (7) в (3), получим:


где
множитель - характеристика материала, не зависящая от геометрии;
множитель F^1-n/2 • (L • m)^n/2 - зависит от геометрии.

Соотношение между a_i и a_j (соответственно для i-го и j-го типов трансформатора) будет иметь вид:

Так как L_i/L_j - коэффициент подобия, связывающий линейные геометрические размеры конструкции, то выражение (8) примет вид:

Пример
Диагностическим испытаниям подвергался трансформатор ТДЦ-400000/220 зав. N 73078, подобный трансформатору ТДЦ-250000/220 зав. N 9556, для которого ранее были определены частоты максимумов СПМ ЭДС и усилия прессовки обмоток. Эти данные были использованы для расчета а, в формуле (1). Под усилием прессовки понимается суммарное усилие поджатия обмоток каждой фазы.

Трансформатор ТДЦ-400000/220 зав. N 73078 нагружался механическими импульсами (ударами) длительностью τ ≈ 0,002 с энергией 3 - 5 кДж. Удар наносился по наиболее жестким местам бака трансформатора (фланец соединения колокола бака с основанием). Регистрировалась ЭДС, наведенная в обмотках трансформатора. Результаты регистрации обработаны на ПЭВМ с целью получения оценок спектральных плотностей мощности процессов по совмещенной модели авторегрессии и скользящего среднего (AРСС-модели) [3]:

где
G(f) - оценка СПМ;
Δt - интервал дискретизации;
δ² - дисперсия процесса;
f - частота;
θ₁,θ₂,... - коэффициенты авторегрессии;
Φ₁,Φ₂,... - коэффициенты скользящего среднего;
По вычаленным оценкам СПМ определены частоты максимумов ЭДС для каждой фазы диагностируемого трансформатора и усилия прессовки обмоток, рассчитанные по формуле (1). Величина a_j определялась по формуле (2) с учетом значения a_i полученного для трансформатора ТДЦ-250000/220. Результаты приведены в таблице. Для трансформатора ТДЦ-400000/220 в числителе приведены расчетные значения усилия прессовки, в знаменателе - фактические. Там же приведены данные по трансформатору ТДЦ-250000/220 зав. N 9556.

Фактические усилия прессовки обмоток трансформатора ТДЦ-400000/220 зав. N 73078 определялись в процессе ремонта. За фактическое усилие прессовки обмоток принято усилие, при котором начинается их усадка. Усадка обмотки измерялась индикатором ГИ-1/ШК-10.

В настоящее время, с использованием предлагаемого способа продиагностировано более десяти мощных силовых трансформаторов. Различие между диагностируемыми и фактическими усилиями прессовки обмоток (определялись при выполнении ремонтных работ, связанных с подпрессовкой обмоток), не превышало 10%. В ряде случаев по результатам диагностики удалось предотвратить аварийные ситуации с возможной потерей трансформаторов.

Использование настоящего изобретения позволило создать оперативную безразборную методику диагностики прессовки обмоток, которая в совокупности с существующими методами контроля электрических характеристик мощных силовых трансформаторов позволяет производить комплексную оценку соответствия конструкции эксплуатационным требованиям, что существенно сокращает затраты на эксплуатацию трансформаторов, не допуская как аварийных ситуаций, так и необоснованного вывода их в плановый ремонт.

Источники информации
1. Swihart D.O., Wright D.V., Dynamic Stiffness and Damping of Transformer Pressboard During Axial Short Circuit Vibration - IEEE Transactions on Power Apparatus and Sysems, v. PAS-95, N 2, March/April 1976.

2. Петрищев Л.С., Салтанов В.М., Осотов В.Н. и др. Исследование возможности диагностики усилия прессовки обмоток трансформаторов по их вибрационным характеристикам. - Электрические станции 1995, N 8, с. 32-37.

3. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибрации машин. Справочник. - М. Машиностроение, 1987.

Для диагностики трансформатора создают вибрационные процессы путем механических воздействий на трансформатор, измеряют ЭДС, наведенную в обмотках трансформатора в результате этих воздействий, определяют частоту максимума спектральной плотности мощности ЭДС, а диагноз устанавливают, вычисляя усилие прессовки обмоток трансформатора по эмпирическому выражению: P = a • fⁿ, где f - частота максимума спектральной плотности мощности ЭДС, наведенной в обмотках, n - постоянная величина, для известных типов трансформаторов n ≈ 4. Способ позволяет создать безразборную методику диагностики прессовки обмоток, которая позволяет проводить комплексную оценку соответствия конструкции эксплуатационным требованиям. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ диагностики трансформатора, включающий создание вибрационных процессов путем механических воздействий на него, определение частотных характеристик отклика на эти воздействия и установление диагноза, отличающийся тем, что в качестве отклика используют ЭДС, наведенную в обмотках трансформатора в результате механического воздействия, измеряют ее, определяют частоту максимума спектральной плотности мощности (СПМ) ЭДС, а диагноз устанавливают, вычисляя усилие прессовки обмоток трансформатора по соотношению
P_i= a_i•fni

где a_i = P_io/f_io - постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток данного трансформатора;
f_i - частота максимума СПМ ЭДС, наведенной в обмотках данного трансформатора;
n - постоянная величина, для известных типов трансформаторов n = 4;
P_io и f_io - известные или ранее определенные усилия прессовки и частота максимума СПМ ЭДС соответственно данного трансформатора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем постоянную величину, характеризующую степень прессовки обмоток (a_i) исследуемого (i-го) трансформатора, конструкция которого подобна известному (j-му) трансформатору-эталону, определяют из соотношения

где a_j - постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток известного трансформатора-эталона;
m_i - масса активной части исследуемого трансформатора;
m_j - масса активной части известного трансформатора-эталона.